Abstract
Slagtilfælde er den tredje hyppigste dødsårsag blandt amerikanerne 65 år eller ældre 1. Livskvaliteten for patienter, der lider af et slagtilfælde ikke at vende tilbage til normal i et stort flertal af patienterne 2, hvilket hovedsagelig skyldes nuværende mangel på klinisk behandling af akut slagtilfælde. Dette nødvendiggør at forstå de fysiologiske virkninger af cerebral iskæmi på hjernevæv over tid og er et stort område af aktiv forskning. Til det formål er eksperimentel fremskridt er gjort ved hjælp af rotter som en præklinisk model for slagtilfælde, især ved hjælp af ikke-invasive metoder såsom 18 F-fluordeoxyglucose (FDG) kombineret med Positron Emission Tomography (PET) billeddannelse 3,10,17. Her præsenterer vi en strategi til at inducere cerebral iskæmi i rotter ved mellem-cerebral arterieokklusion (MCAO), som efterligner fokal cerebral iskæmi hos mennesker, og billeddannelse dens virkninger i løbet af 24 timer ved anvendelse af FDG-PET kombineret med røntgen computertomografi (CT) med en Albira PET-CT instrument. A VOI skabelon atlas blev efterfølgende fusioneret til cerebrale rotte data for at muliggøre en objektiv analyse af hjernen og dens delregioner 4. Desuden er en fremgangsmåde til 3D visualisering af FDG-PET-CT tidsforløb fremlagt. Sammenfattende præsenterer vi en detaljeret protokol for iværksættelse, kvantificere, og visualisere en induceret iskæmisk slagtilfælde begivenhed i en levende Sprague-Dawley rotte i tre dimensioner ved hjælp af FDG-PET.
Introduction
Slagtilfælde er en af de førende dødsårsager i de udviklede lande, og er direkte ansvarlig for død af 1 ud af 19 amerikanere 1. Det er blevet anslået, at omkring 795.000 amerikanere oplever slagtilfælde hvert år, hvoraf 87% af disse er iskæmisk i naturen 5. Under et iskæmisk tilfælde er kontinuerlig forsyning af oxygen og glucose til de cortikale neuroner alvorligt forringet inducere et hypoksisk miljø, hvilket fører til nedsat cellulær funktion i de berørte områder af hjernen. Afhængigt af sværhedsgraden af slagtilfælde, cerebral blodgennemstrømning og glukoseoptagelse varierer rumligt og tidsligt.
Skader som følge af slagtilfælde kan identificeres gennem ikke-invasive metoder, såsom 18 F-fluordeoxyglucose (FDG) Positron Emission Tomography 6. FDG er en glucose analog hvor ved 2 'position hydroxylgruppen er blevet erstattet af positronemitterende 18F isotop. 18F er Advantageous på grund af sin lange, 110 minutter halveringstid, således at det kan anvendes til at detektere glukose forbrug i hjernen. FDG PET producerer en kvantitativ høj opløsning kort over deoxyglucose forbrug i hjernen 7 som 18F tendens til at ophobe i områder med stort forbrug af glucose, hvilket indikerer, at sådanne væv er meget metabolisk aktive 8. Den 18 F kerne undergår beta-henfald, frigive en positron, som hurtigt tilintetgør med en nærliggende elektron, der producerer gammastråler, som er opdaget af instrumentet. FDG PET scanninger kan gentages i det samme individ med mindst 10 18 F halveringstider, eller omkring 18 timer, mellem scanninger, hvilket giver en måde at studere ændringer i hjernens aktivitet over tid i det samme individ.
Prækliniske dyremodeller, såsom rotter, anvendes ofte til at vurdere virkningerne af slagtilfælde og effektiviteten af behandlinger for slagtilfælde. Eftersom FDG PET er ikke-invasiv, kan det anvendes til at målevirkningerne af slagtilfælde over tid uden at forstyrre fysiologi af dyret. Afhængigt af slagtilfælde begivenhed sted, kan forskellige regioner af hjernen påvirkes. Men med små dyr som rotter, manuelt at definere og kvantificere inden for særlige områder af rottehjernen kan være udfordrende. For at kunne sammenligne glukose metabolisk aktivitet i bestemte områder af rotte hjerne over tid, skal mængder af interesse (VOI), der skal kvantificeres konsekvent afgrænset. En præcis atlas af rottehjernen er blevet udviklet for at afhjælpe dette problem 9 og er blevet omdannet til digital form til anvendelse i kvantificering af prækliniske FDG-PET data. Her præsenterer vi en metode til at klassificere slagtilfælde vævsskade i en konsekvent, metodisk måde. Metoden beskriver den kirurgiske procedure for iværksættelse cerebral iskæmi i en dyremodel, kvantificere specifikke hjerneregioner delregioner ramt af slagtilfælde, og producere en tredimensionel visualisering af omfanget og placeringen af slagtilfældevævsskade ved hjælp af egnede teknikker og værktøjer. Brug den metode, der er beskrevet i denne undersøgelse, kan forskerne konsekvent indlede cerebral iskæmi hos rotter, adfærd PET billeddannelse, og kvantificere ændringer i FDG optagelse ved hjælp af definerede områder af hjernen i prækliniske slagtilfælde modeller over tid.
Protocol
Animal håndtering og alle forsøg med dem var strengt udføres i henhold til protokoller, der blev godkendt af Institutional Animal Care og brug Udvalg for University of Notre Dame (Protokol nummer 14-086).
1. Dyr
- Dyr og Stroke indledning: Brug Sprague Dawley rotter med en vægt mellem 220 og 270 g for alle slagtilfælde studier.
- Bedøver rotter med 2,5% isofluoran (2 L / min i 100% O 2) med en næsekegle.
- Placer dyret liggende på ryggen på en varmepude. Tape ned forbenene.
- Shave ventralsurface af halsen. Prep barberede område med 70% EtOH efterfulgt af 10% providon jodopløsning.
- Sterile instrumenter anvendes til denne procedure; handsker udskiftes efter prep af dyret. Sterile tip teknikker anvendes.
- Med en saks, lave en 2-2,5 cm incision parallelt med luftrøret, 0,5 cm til højre af luftrøret. Ved stump dissection lokalisere halspulsåren.
- Brug retraktorer at hjælpe med at visualisere fartøjet. Placer en mikro klemme om den fælles halspulsåren (CCA).
- Find den første forgrening punkt, som vil være den ydre carotidarterie (ECA) og den indre carotidarterie (ICA). Ætse mindre filialer, der er knyttet til Revisionsretten, som occipital arterie.
- Ligere Revisionsretten afdrejning til skjoldbruskkirtlen arterie med en 4-0 silke sutur. De suturer bør have ekstra længde for at muliggøre hemostats at holde suturen.
- Ætse Revisionsretten over suturen (kranialt). At spænde suturen med hemostats, træk Revisionsretten kaudalt og det vil være parallel med CCA.
- Find ICA og bruge en anden mikro klemme for at okkludere denne arterie.
- Lav et lille hul i ECA ved hjælp af små foråret saks. Sæt okkluderen i Revisionsretten og binde en sutur rundt okkluderen at forhindre blodgennemstrømning.
- Fjern mikro klemmen på ICA og fremme okkluderen indtil der mærkes modstand.
BEMÆRK Sørg okkluderen fremskridt ind i ICA og ikke pterygopalatin arterie. Okkluderen bør fremme glat og hvid spids bør ikke ses, hvis okkluderen er korrekt placeret. - Tag micro klemme fra CCA. Skær eventuelt overskydende okkluderingsindretning eller sutur.
- Placer 9 mm Auto Clips til at lukke huden indsnit.
- Fjern dyret fra anæstesi og tillade dyret at vække. Efter 2 timer:
- Bedøver rotte med isofluran.
- Fjern såret klip.
- Find enden af okkluderen og fjerne den fra den midterste cerebrale arterie ved forsigtigt at trække på det, indtil den hvide spidsen af okkluderen kommer i kontakt med suturerne. Træk ikke det hele vejen ud, vil dette forårsage blødninger.
- Udskift sårklemmer til snittet.
- Fjern dyret fra anæstesi og tillade dyret at vække.
2. Image Acquisition
Udfør tre PET og CT sdåser for hver rotte. Tag et pre scanning 1-2 dage før induktion af slagtilfælde, for at tilvejebringe et grundlag for 18 F-FDG optagelse. Scan hver rotte 1,5 timer efter slagtilfælde, før reperfusion udføres (billedet med okklusionsindretning stadig i dyret). Scan hver rotte 26 timer efter slagtilfælde (24 timer efter reperfusion) at kvantificere hjernevæv skader som følge af slagtilfælde skade.
BEMÆRK: 24 hr nævnte tidspunkt i resten af manuskriptet punkt refererer til stillingen reperfusion tidspunkt, hvor rotterne blev scannet.
- Bedøve rotter under 2,5% isofluoran gas i anæstesi kammer.
- Injicer ca. 500 uCi 18 F-deoxyglucose (FDG) (200 pi totalvolumen) i halevenen på rotter.
- Vent 1 time.
- Placer bedøvet rotte på standard rotte seng under næsekegle isofluoran anæstesi. Mål afstanden i mm mellem næsen af rotte og kant af rotte seng til vandret forskydning.
3. Image Acquisition
- Åbent Albira Suite software.
- Vælg erhverver.
- Navn ny undersøgelse.
- Under PET eller SPECT klikke på Tilføj> Vælg PET-protokol. Klik på Tilføj.
- Under CT klikke på Tilføj> Vælg CT-protokol. Klik på Tilføj.
- Klik nummer under Initial Vandret position under PET. Indstil nummer til målte afstand i mm mellem næsen af rotte og forsiden af rotte seng. Gentag for CT.
- Sæt forbehold Rat og indtaste vægt i gram.
- Indstil Forbindelse til FDG.
- Sæt injektionstid og Injektion Dato og dosis.
- Klik på Start Study knappen.
BEMÆRK: Ved afslutningen af PET CT-scanning, data bliver gemt automatisk. - Åbn Albira Reconstructor.
- ChanGE Afventer til sidste 10 eller Alle.
- Vælg Scan filnavn.
- Klik på Tilføj.
- Klik på Start Genopbygning. BEMÆRK: fil vil blive gemt i MicroPET format.
4. Image Analysis
- Udfør billedanalyse under anvendelse af PMOD analyse software sammen med W. Schiffer Brain Atlas.
- Åbent PMOD> Fusion.
- Naviger til fanen CoRegistration forbehandling øverst på skærmen.
- Åbn Load reference rullemenuen i midten af skærmen, og vælg NifTI. Naviger til C: //PMOD3.2/resources/templates/usertemplates. Vælg Rat (W.Schiffer) -FDG.nii og klik på Åbn.
- Åbn belastningstilførsel rullemenuen til højre på skærmen, og vælg MicroPET. Naviger til den ønskedeMicroPET fil. Vælg den og klik på Åbn.
- Naviger til fanen Manuel CoRegistration øverst på skærmen.
- Vælg det fjerde faneblad i midten gruppe faner på højre (Reslicing).
BEMÆRK: To knapper vises på MicroPET scanninger. - Brug det åbne hvide rektangel for at rotere MicroPET scanninger og den fyldte hvide rektangel for at flytte MicroPET scanninger. Juster de to scanninger. For at gøre dette, skal du finde landemærker som de harderian kirtler, og top og bag cerebrale funktioner, som kan bruges til at matche MicroPET scanning med hjernen model. Derefter justere MicroPET scanningen, indtil det passer sammen med hjernen atlas (W. Schiffer).
BEMÆRK: For eksempel harderian kirtler lysere på både MicroPET scanninger og hjernen atlas (W. Schiffer), og kan bruges som reference for tilpasning. - Hvis det er nødvendigt, skal du dreje MicroPET scanning 180 ° i koronale visning og hæve scanningen betydeligt i the sagittalbillede, sammen med andre mindre ændringer orientering.
- Naviger til fanen Full Screen Fusion (vois) øverst på skærmen.
- Vælg kilde A øverst til højre på skærmen.
- Naviger til skabelon> Atlas nederst på siden.
- Vælg Rat (W. Schiffer) fra drop-down menuen.
BEMÆRK: (valgfri) Retur til manuel CoRegistration fanen hvor atlas skal vises oven på hjernen atlas (W. Schiffer). Atlasset kan bruges til at hjælpe med at rette den MicroPET scanning og hjernen atlas (W. Schiffer). Efter justering, gå tilbage til fanen Full Screen Fusion (vois). En skabelon vises på hjernen, som angiver, hvilke dele af hjernen, vil blive målt for VIO Statistik. - Vælg kilde B øverst til højre på skærmen.
- Vælg knappen VOI Statistik øverst right af skærmen.
BEMÆRK: Et regneark vises. - Vælg Gem.
BEMÆRK: En skrive så [VOI Statistik] vises. - Vælg Gem for at filsystemet.
BEMÆRK: En PMOD (gem): Vælg komponenter vises. - I feltet Filnavn skal du skrive det ønskede filnavn.
- Vælg Gem.
- Udfør dataanalyse ved hjælp af Microsoft Office Excel 2010.
- Open Excel.
- Vælg Filer> Åbn.
- Ændre filtypen fra All Excel filer til alle filer.
- Naviger til de gemte VIOSTAT filer. Vælg den ønskede fil.
BEMÆRK: En guide import vises. - Vælg Udfør. Hvis du bruger en Mac, dobbeltklikke på VOISTAT filen og det vil direkte åbne som en Excel-fil.
- Vælg den kolonne, der indeholder feltet VoiName (REgion). Kopier oplysninger og indsætte det i en ny Excel-fil.
- Vælg den kolonne, der indeholder felterne udlignes og [1/1]. Kopier oplysninger og indsætte den i den nye Excel-fil.
- Gentag denne proces for alle de VOISTAT filer.
- Begynd en ny fane for hvert datasæt.
- Vend tilbage til den første fane. Vælg en ny celle. Beregn forholdet mellem den højre side af en hjerne sektion til den venstre side af en hjerne sektion ved at dividere værdien af den højre side af hjernen den venstre side af hjernen. Hjernen sektion tilhører den højre side af hjernen er opført før afsnittet tilhører den venstre side af hjernen. Gentag dette for alle hjernen sektioner.
- Vælg en ny celle. At anvende de gennemsnitlige funktion til at beregne gennemsnittet af hver af de tidligere beregnede forhold på tværs af alle musene.
- Vælg en ny celle. Beregn SEM af hver hjerne sektion ved hjælp af STDAFV funktion og dividere it med kvadratroden af antallet af mus.
- Gentag dette for hvert datasæt.
5. Billede Visualisering
- Konverter billeder til analyse filformat hjælp PMOD analysesoftware.
- Åbent PMOD> Vis.
- Naviger til fanen Vis i toppen af skærmen.
- Åbn Load rullemenuen til højre på skærmen, og vælg MicroPET. Naviger til den ønskede MicroPET eller CT-fil. Vælg den og tryk på Åbn.
- Åbn Gem rullemenuen til højre på skærmen, og vælg Analyser. Naviger til den ønskede destination. Skriv det ønskede navn i feltet Filnavn. Vælg Gem.
- Opret billedsekvenser ved hjælp VolView imaging software.
- Åbent VolView.
- Vælg Åbn fil
- Naviger til analyse version af CT datafil for den ønskede scanning. Vælg den og tryk på Åbn.
BEMÆRK: En Åbn guiden fil vises. - Brug standardindstillingerne ved at trykke på Next i pop-up-vinduet.
- Vælg fanen Plugins til venstre på skærmen.
- Åbn plugin drop-down menuen og vælg Utility> Flet mængder.
- Fravælg rescale Components.
- Vælg Tildel anden indgang.
- Naviger til analyse version af MicroPET datafilen til samme scanning. Vælg den og tryk på Åbn.
BEMÆRK: En Åbn guiden fil vises. - Brug standardindstillingerne ved at trykke på Næste på hvert skærmbillede.
BEMÆRK: MicroPET scanningen vises overlejret på CT-scanning. - Vælg Farve / Opacitet Settings fane i venstre side af skærmen.
- Åbn Component drop-down menuen nederst til højre på skærmen. Vælg 1.
BEMÆRK: Dette vil sikre, at CT-scanning er det eneste billede, der påvirkes af følgende retninger. - I Scalar Color Mapping skal du vælge den midterste punkt. Fjern det ved at trække den ud af af skyderen området.
- Vælg venstre punkt.
BEMÆRK: En Farvevælger vindue vises. - Ændre farven på det punkt til sort.
- Vælg den rigtige punkt.
BEMÆRK: En Farvevælger vindue vises. - Ændre farven på det punkt til hvid.
- I Scalar Opacitet Mapping sektion, tilføje et punkt ved at klikke hvor som helst i kassen.
- Juster sektionen indtil CT billedet viser kun skelettet af rotten.
- Check Aktiver Shading.
- Vælg ReView fane til venstre på skærmen.
- Skift Antal Frames til 72.
- Skift X rotation til 360.
- Vælg Opret.
- Naviger til den ønskede destination. Opret en ny mappe til at gemme billeder ved at højreklikke på det tomme rum og vælge Ny> Mappe.
- Skriv det ønskede navn i feltet Filnavn. Vælg Gem.
BEMÆRK: A Frame Size vises. - Vælg OK.
- Volview vil generere billederne. Når den er færdig, vises et vindue med teksten "Din film blev skabt med succes!" Vælg OK.
- Vend tilbage til fanen Farve / opacitetsindstillingerne.
- Under komponent Vægt (er) justere skyderen for komponent 1, så det har den value 0.
BEMÆRK: Kun MicroPET scanningen vises. - Gentag trin 5.2.21-28 at skabe et andet billede sekvens.
- Vend tilbage til fanen Farve / opacitetsindstillingerne.
- Under komponent Vægt (er) justere skyderen for komponent 2, så det har værdi 0.
BEMÆRK: Kun CT-scanning vises. - Gentag trin 5.2.21-28 at skabe et tredje billede sekvens.
- Generer rotation film (vist i video) ved hjælp af ImageJ software.
- Åbent ImageJ.
- Vælg Filer> Importer> billedsekvens.
- Naviger til den fil, der indeholder de billeder, som kun vise CT data for pre scanning. Vælg det første billede, og tryk på Vælg.
BEMÆRK: En sekvens vinduet vises. - Vælg OK.
- Vælg Filer &# 62; Import> billedsekvens.
- Naviger til den fil, der indeholder de billeder, som kun vise MicroPET data for pre scanning. Vælg det første billede, og tryk på Vælg.
BEMÆRK: En sekvens vinduet vises. - Vælg OK.
- Vælg Filer> Importer> billedsekvens.
- Naviger til den fil, der indeholder de billeder, som vist både CT og MicroPET data for pre scanning. Vælg det første billede, og tryk på Vælg.
BEMÆRK: En sekvens vinduet vises. - Vælg OK.
- Vælg Image> Stakke> Værktøjer> Kombiner.
BEMÆRK: En Combiner vises. - Vælg Stack1 rullemenuen. Vælg stakken, der indeholder CT data.
- Vælg Stack2 rullemenuen. Vælg stakken, der indeholder MicroPET data. Vælg OK.
BEMÆRK: En ny stak med begge scanninger vises. - Vælg Image> Stakke> Værktøjer> Kombiner.
BEMÆRK: En Combiner vises. - Vælg Stack1 rullemenuen. Vælg den stak, der indeholder de kombinerede stakke.
- Vælg Stack2 rullemenuen. Vælg stakken, der indeholder både CT data og MicroPET data. Vælg OK.
BEMÆRK: En ny stak med alle tre scanninger vises. - Hold de kombinerede stakke åben. Gentag trin 5.3.2-16 for 1,5 timer efter scanning og de 24 timer efter Scan billede stakke.
- Vælg Image> Stakke> Værktøjer> Kombiner.
BEMÆRK: En Combiner vises. - Vælg Stack1 rullemenuen. Vælg stakken, der indeholder alle de foreløbige scannede data.
- Vælg Stack2
- Tjek Kombiner lodret.
- Vælg OK.
BEMÆRK: En ny stak med både pre scanning og 1,5 timer efter scanning vises. - Vælg Image> Stakke> Værktøjer> Kombiner.
BEMÆRK: En Combiner vises. - Vælg Stack1 rullemenuen. Vælg den stak, der indeholder de kombinerede stakke.
- Vælg Stack2 rullemenuen. Vælg den stak, der indeholder alle de 24 timer efter scanning data.
- Tjek Kombiner lodret.
- Vælg OK.
BEMÆRK: En ny stak med alle ni scanninger vises. - Vælg Filer> Gem som> AVI.
- Vælg OK.
- Naviger til den ønskede destination. Skriv det ønskede navn i Filnavn Gem.
Representative Results
Cerebral iskæmi blev indledt i levende Sprague-Dawley-rotter via okklusion af den midterste cerebrale arterie, med efterfølgende nuklear billeddannelse udført for at påvise dens virkninger. Levende rotter blev afbildet 24 timer før slagtilfælde induktion samt 1,5 timer og 24 timer efter iskæmi, hver med uafhængige injektioner af ca. 500 uCi 18F-FDG, som fuldt henfalder inden for 18 timer. De tre detektor ring Albira system, der anvendes til disse undersøgelser har en følsomhed på 9%, hvilket gør 500 pCi en rimelig dosis for rotterne. Repræsentative billeddata for PET og X-ray CT-scanninger er vist for et rotte på 24 timer før og 24 timer efter reperfusion tidspunkter i figur 1, øverste og nederste rækker henholdsvis. Den tværgående (panelerne A og E), sagittal (paneler B og F), og koronale (paneler C og G) skiver for hver scanning er præsenteret med FDG-PET data farvet i en & #8220; regnbue "intensitet skala, og oven på CT i gråtoner. Bemærk, at CT blev anvendt til anatomisk co-registrering af PET data inden dyret kraniet, og blev ikke noteret nogen radiodensiteten forandringer i hjernevævet i disse eksperimenter. Ved 24 timer var der en dramatisk nedgang i glucoseoptagelse til den ipsilaterale hemisfære, hvilket tyder på omfattende vævsbeskadigelse som følge af den inducerede iskæmisk slagtilfælde. En 3D rendering af overlay data er præsenteret i figur 1D og H. Når roteret på skærmen, disse afsmeltede data giver en forbedret visualisering af slagtilfælde-inducerede fald i FDG optagelse.
For at kvantificere ændringer i cerebral glukoseoptagelse grundet slagtilfælde i en spatiotemporale måde blev et VOI hjerne atlas anvendes til at pre-takts baseline, 1,5 time, og 24 timer (efter reperfusion) for hver scanning. Dette blev opnået ved anvendelse af PMOD softwarepakke sammenholdt med W. Schiffer rottehjerne skabelon og ATLAs. Først blev PMOD anvendt til at transformere de enkelte rotte hjerne PET datasæt til den relevante rum og geometri via manuel co-registrering ved hjælp af flytte og rotere værktøjer under fanen Reslicing. Bemærk, at skalaen værktøj er også tilgængelig til at justere den samlede hjerne størrelse, hvis det er nødvendigt. Mens anvendelsen af Schiffer atlas er overlegen manuelt tegning vois i hjernen plads, kan der være eksperimentelle fejl fremkaldt af unøjagtige hjerne fusion. Således i visse tilfælde en stigning i antallet af dyr, kan være nødvendig for at opnå statistisk signifikans. Dernæst blev W. Schiffer VOI hjerne atlas anvendes automatisk at måle FDG akkumulering, i standard optagelse enheder inden for definerede subregioner af rotte hjerne (figur 2). Hjernen VOI atlas kan også anvendes i en iterativ måde med standard hjerne model for yderligere at optimere den manuelle fusion af de eksperimentelle data. Da stoke begivenhed blev isoleret til højre hjernehalvdel i hvert dyr, skaden to hver region blev kvantificeret ved at beregne et forhold mellem glucoseoptagelse aktivitet mellem kontralaterale regioner (figur 2). Anvendelsen af disse nøgletal giver en bekvem normalisering mellem højre og venstre hjernehalvdel, og fjerner variabilitet, der kan opstå, når PET signal intensitetsværdier sammenligne på tværs af forskellige scanninger. På 1,5 time efter slagtilfælde blev 18 F-FDG optræk ikke påvirket i det iskæmiske område. Derfor blev der ikke observeret nogen kvantitative ændringer i glukoseoptagelse mellem den kontralaterale og ipsilaterale halvkugle (figur 3, blå og grønne søjler). Dette kan skyldes hyper-optagelse af glukose i peri-iskæmiske region eller øget glukosemetabolismen på dette tidspunkt for at kompensere for tab af cellulære ATP 10,11. Imidlertid blev signifikant fald i glukoseoptagelse i bestemte områder af ipsilaterale hemisfære observeret på tværs af flere dyr (n = 5) ved 24 timer efter reperfusion (Figur 3, røde søjler). OthER hjerneregioner viste lidt eller ingen skade i den ipsilaterale hemisfære.
Især er de regioner i ipsilaterale halvkugle, som konsekvent udviste formindskede FDG optræk var: amygdala, putamen caudalis, det auditive, entorhinal, ø lap, paracortex og somatosensoriske områder af cortex. Kortikale læsioner forårsaget på grund af slagtilfælde er forbundet med tab af neuronale forbindelser og ændrede funktionelle kort. Strukturelle abnormiteter i amygdala grund slagtilfælde føre til psykopatologi og kognitiv dysfunktion 12. Det er ikke overraskende, at caudatus-putamen region blev påvirket til FDG-optagelse som cerebral blodstrøm i den laterale del af denne region leveres af okkluderede midtcerebralarterie 13. Den patologi i denne region af gnaver hjerne fører til nedsat diskriminere læring, kognitiv behandling, og ikke-motoriske funktioner 14. Manglende evne til at tage op FDG blev også observeret i den entorhinale cortex end auditive cortex i den mediale temporallap af iskæmisk halvkugle. I 2001 Davis et al. Rapporterede, at entorhinal cortex skader i rotter fører til nedsat sanseintegration og vedvarende rumlig indlæring deificits 15. Auditory dysfunktion vides at forekomme ved slagtilfælde hos mennesker, selvom sjældent 16. Blev imidlertid optagelsen af FDG med ringere colliculus, der er en af de store auditive veje ikke påvirket af slagtilfælde i vores model. Det er blevet påvist, at MCAO-induceret slagtilfælde rotter øger adrenalin, noradrenalin og sympatisk nerve aktivitet på grund af infarkt i ø cortex, en af de regioner i vores model, der viste stakkels FDG optagelse 17. Dette kan resultere i ændringer i autonom funktion påvirker hjerte-system. Dårlig FDG optagelse blev også observeret i den somatosensoriske område af frontoparietal cortex. Iskæmisk infarkt på dette område er blevet rapporteret at forårsage strukturelle abnormiteter og tab af thalamiske forbindelser18.. Begrænset FDG optagelse blev også observeret i den visuelle cortex, som kan føre til nedsat okulær dominans plasticitet, som rapporteret i rotte nyfødte udsættes for hypoxisk iskæmi 19. Faldt dog FDG optagelse blev ikke observeret i den overlegne colliculus et område, der er involveret i visuel motor vejledning 20. FDG optagelse i hippocampus område blev også forringet, et område, der er vigtigt i den fysiske hukommelse og navigation. Det blev konsekvent observeret, at sub-regioner i midthjernen, såsom den overlegne og underlegne colliculus, den ventrale tegmentalområde (VTA), samt lugtekolben af forhjernen, og det dybtliggende thalamus ikke var påvirket af okklusion af den midterste carotidarterie (figur 3).
Tilsammen viser disse resultater, at FDG-PET med CT giver en levedygtig, reproducerbar og ikke-invasiv billeddannelse strategi med at overvåge cerebral iskæmi hos rotter i en langsgående måde.
Figur 1:. PET-CT data fra rotter før og efter cerebral iskæmi Hver række viser den respektive tværgående (A, E), saggitale (B, F), koronale (C, G), og 3D afsmeltet (D, H) PET -CT data af en rotte 24 timer før (øverste række) og 24 timer efter reperfusion (eller 26 timer efter induktion af cerebral iskæmi, nederst). Hvide pile angiver placering af nedsat FDG optagelse på grund af slagtilfælde skader. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 2: PET data på linie med W. Schiffer rottehjerne atlas ved hjælp PMOD The FDG-PET data.en rotte 24 timer efter reperfusion (eller 26 timer efter cerebral iskæmi, øverste række) er fusioneret med VOI hjerne skabelon atlas til analyse (nederste række). Farver angiver separate vois af hjernen skabelon atlas. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
. Figur 3: Repræsentant kvantitativ analyse af glukoseoptagelse i Rat Brain af § Forhold mellem højre til venstre hjernehalvdel FDG PET-signal i standard Optagelse Enheder fra hver region i W. Schiffer Rat Brain Atlas rapporteret for scanninger taget før iskæmisk slagtilfælde begivenhed (pre; blå), 1,5 time (grøn) og 24 timer (rød) post-reperfusion (eller 26 timer efter reperfusion). Fejlsøjler repræsenterer standardafvigelsen for n = 5 rottehjerne slagtilfælde begivenheder på hvert tidspunkt. ** P ≤ 0,01, * p≤ 0,05 (parret t-test). Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 4:. Illustration af MCAO Surgery Den røde linje er okkluderen der er indsat i den ydre carotidarterie. Den blå oval repræsenterer det område af hjernen.
Discussion
Her præsenteres en detaljeret strategi for slagtilfælde induktion, PET-billeddannelse, og standardiseret hjerne underområde måling af vævsbeskadigelse i Sprague-Dawley rotter. Imaging små dyremodeller, især i området for slagtilfælde er gavnlig, som behandling for slagtilfælde at være effektiv, afhænger af en meget kort terapeutisk tid. Her præsenterer vi en skade-reperfusion model, hvor slagtilfælde blev induceret via en okklusion til arteria cerebri media, og billeddannelse udført under anvendelse af FDG PET, sideløbende med en X-ray CT for anatomisk reference. Ensrettede målinger af FDG optagelse inden hjernen delregioner blev muliggjort af præcis kortlægning af VOI skabelon atlas på rotte hjerne i PMOD billedanalyse software. Ratiometrisk FDG værdier blev indsamlet ved at dividere tilsvarende hjernen delregioner i modstående halvkugler, som giver en enkel måling af skader, mens normalisering for variationer i den globale FDG PET signal mellem forskellige dyr og tid points. Disse målinger er i overensstemmelse med den forventede effekt af slag på rotte hjerne, hvilket viser konsekvent, betydeligt tab af hjernevæv glukoseoptagelse i visse områder af det ipsilaterale halvkugle. Denne metode har potentiale til at øge vores evne til at sammenligne FDG PET datasæt af dyr, der mange typer af hjernetraume, herunder iskæmisk slagtilfælde. Ved at standardisere de mængder, der skal kvantificeres tværs halvkugler af hjernen og på tværs af flere dyr, denne metode genererer konsekvente målinger af nedsat væv glukoseoptagelse. Bemærk, at andre PET-sporstoffer med hjerneoptagelse, ligesom 11 C-racloprid for D2-receptorer, kan anvendes med denne protokol samt 21. Endelig beskriver vi en metode til at visualisere en iskæmisk slagtilfælde i et rottehjerne inden for sit skelet med høj anatomisk nøjagtighed i tre dimensioner. Da slagtilfælde-induceret fysiologisk og funktionsnedsættelse kan være forbigående eller permanent, denne ikke-invasiv metode til billeddannelsetillader forskerne at evaluere hjerneskade i samme dyr over en periode. Det giver en måde at neurologisk score rotterne, samt vurdere kort- og langsigtede neurologiske udfald i det samme dyr. Skabelonen funktion PMOD software giver forskere med en vis mængde af præcision at kortlægge skade området og måske korrelere neurologiske sequelae og adfærdsmønstre.
For nøjagtig kvantificering af slagtilfælde skader ved hjernen subregion, nøglen skridt er opretning af PET data med rottehjernen atlas inden PMOD. Uoverensstemmelser i tilpasningen kan føre til ukorrekt kvantificering af hjernen subregioner ramt af iskæmi. Som beskrevet i protokollen trin 4.1.7, er det muligt at bruge de harderian kirtler som vartegn til indretning af hjernen atlas med eksperimentelle PET data. Delvis volumen effekter (PVE) er en bekymring i denne type analyse, og vil begrænse den samlede opløsning på hjernens struktur,kan afbildes. Signal spillover kan forekomme mellem tilstødende dele, eller VOI selv kan være for lille i forhold til instrumentet beslutning, hvorved den kvantitative nøjagtighed af metoden 22. Den Albira PET, der anvendes i disse studier er udstyret med tre detektor ringe og giver en opløsning på 1,1 mm, der er udviklet fra tilsvarende en ringsystem, der opnås 1,5 mm 23. Buvat og medarbejdere bemærke, at PVE vil påvirke målinger af tumorer med en diameter på mindre end 2-3x systemet opløsning ved fuld bredde halvt max (FWHM), hvilket ville svare til en sfærisk volumen 5,6-18,9 mm 3 for 3- ring Albira. Casteels et al. For nylig, at mængder på over 8 mm 3 vil have minimale partielle volumen effekter for moderne prækliniske PET-scannere med opløsning i intervallet 1,1-1,3 mm 24. De Schiffer atlas er omhyggeligt konstrueret med disse parametre i tankerne, og udnytter 58 vois, hvoraf 13 falder under 8 mm 3 tærskel. Disse omfatter den vois for højre og venstre halvdele af den mediale præfrontale cortex (6,3 mm 3, R / L), Par A Cortex (7,6 mm 3, R / L), den overlegne colliculus (7,1 mm 3, R / L) , VTA (5,5 mm 3, R / L), ringere colliculus (5,7 mm 3, R / L), hypofysen (5,9 mm 3) og CB blodgennemstrømning (5,1 mm 3). Desuden vil målinger af den frontale cortex (1,4 mm 3 R / L) være den mest modtagelige for PVE grund af sin lille størrelse.
Undersøgelser i større dyr som rotter, som har en tilsvarende stigning i størrelsen af anatomien, vil have et større antal hjernen subregioner, der kan pålideligt kvantificeres i forhold til mus. Alligevel er disse fremgangsmåder gælder for brain imaging i mus, som har deres egen hjerne atlas rådighed i PMOD der er sammensat af 18 subregioner, der erdimensioneret til at minimere PVE. Yderligere anvendelse af PET til at identificere endnu mindre hjerneregioner, end der er beskrevet i denne undersøgelse kan kræve anvendelse af alternative metoder. Den her beskrevne metode kan ensrettede og effektiv kvantificering af hjernevæv skader over tid, segmenteret efter hjerne subregion i levende rotter. Skade som følge af iskæmi er påvist her som et eksempel, men de metoder, der til kvantificering af ændringer i hjernens aktivitet kan anvendes til en hvilken som helst anden tilstand, der påvirker rottehjerne.
Afslutningsvis kan FDG-PET-CT-data fra små dyr skal erhverves i en ikke-invasiv og økonomisk måde, og kan nemt bruges til små dyr billeddannelse på en kvantitativ måde. Udnyttelse af Schiffer skabelon redskab for PMOD programmet kan iskæmiske områder af hjernen være afgrænset, og PET-data målt. Det er et stærkt værktøj for den fremtidige undersøgelse af hjernens reorganisering, reparation og neurogenese efter cerebral iskæmi, som vil fremme development af neuro-terapier handicappede patienter med slagtilfælde. Denne visualisering vil også være særlig nyttig ved evaluering andre tilfælde af hjerne traumer, hvor skaden væv kan justeres fra separate billeddiagnostiske metoder.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Albira PET SPECT CT | Bruker | 3D molecular imaging equipment | |
| Sprague Dawley Rats | Charles River Laboratories | 400 | Animal Subjects |
| 18-F-D-Glucose | Spectron | PET compound | |
| micro clamp | FST | 18055-03 | artery clamp |
| occluder #4037 | Doccol Corp. | 403712PK10 | surgical stroke induction |
References
- Minino, A. M., Murphy, S. L., Xu, J., Kochanek, K. D. Deaths: final data for 2008. Natl Vital Stat Rep. 59, 1-126 (2011).
- Niemi, M. L., Laaksonen, R., Kotila, M., Waltimo, O. Quality of life 4 years after stroke. Stroke. 19, 1101-1107 (1988).
- Ter-Pogossian, M. M., Phelps, M. E., Hoffman, E. J., Mullani, N. A. A positron-emission transaxial tomograph for nuclear imaging. 114, 89-98 (1975).
- Schiffer, W. K., et al. Serial microPET measures of the metabolic reaction to a microdialysis probe implant. J Neurosci Methods. 155, 272-284 (2006).
- Roger, V. L., et al. Heart disease and stroke statistics--2012 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 125, e2-e220 (2012).
- Heiss, W. D., et al. Progressive derangement of periinfarct viable tissue in ischemic stroke. J Cereb Blood Flow Metab. 12, 193-203 (1992).
- Foster, N. L., et al. Alzheimer's disease: focal cortical changes shown by positron emission tomography. Neurology. 33, 961-965 (1983).
- Bustamante, E., Pedersen, P. L. High aerobic glycolysis of rat hepatoma cells in culture: role of mitochondrial hexokinase. Proc Natl Acad Sci U S A. 74, 3735-3739 (1977).
- Toga, A. W., Santori, E. M., Hazani, R., Ambach, K. A 3D digital map of rat brain. Brain Res Bull. 38, 77-85 (1995).
- Yuan, H., et al. Saptiotemporal uptake characteristics of [18]F-2-Fluoro-2-Deoxy-D-Glucose in a rat middle cerebral artery occlusion model. Stroke. 44, (2013).
- Nemoto, E. M., Hossmann, K. A., Cooper, H. K. Post-ischemic hypermetabolism in cat brain. Stroke. 12 (5), 666-676 (1981).
- Sachdev, P. S., Chen, X., Joscelyne, A., Wen, W., Brodaty, H. Amygdala in stroke/transient ischemic attack patients and its relationship to cognitive impairment and psychopathology: the Sydney stroke study. Am. J. Geriatr. Psychiatry. 15, 487-496 (2007).
- Nagasawa, H., Kogure, K. Correlation between cerebral blood flow and histologic changes in a new rat model of middle cerebral artery occlusion. Stroke. 20, 1037-1043 (1989).
- Hauber, W., Schmidt, W. J. Differential effects of lesions of the dorsomedial and dorsolateral caudate-putamen on reaction time performance in rats. Behavioral Brain Research. 60, 211-215 (1994).
- Davis, A. E., Gimenez, A. M., Therrien, B. Effects of entorhinal cortex lesions on sensory integration and spatial learning. Nurs. Res. 50, 77-85 (2001).
- Hausler, R., Levine, R. A. Auditory dysfunction in stroke. Acta Otolaryngol. 120, 689-703 (2000).
- Cechetto, D. F., Wilson, J. X., Smith, K. E., Wolski, D., Silver, M. D., Hachinski, V. C. Autonomic and myocardial changes in middle cerebral artery occlusion: stroke models in the rat. Brain Res. 502, 5296-5305 (1989).
- Carmichael, S. T., Wei, L., Rovainen, C. M., Woolsey, T. A. New patterns of intracortical projections after focal cortical strike. Neurobiol. of Disease. 8, 910-922 (2001).
- Failor, S., et al. Neonatal cerebral hypoxia-ischemia impairs plasticity in rat visual cortex. J. Neurosci. 30, 81-92 (2010).
- Wurtz, R. H., Albano, J. E. Visual-motor function of the primate superior colliculus. Ann. Rev. Neurosci. 3, 189-226 (1980).
- Kuhn, F. P., et al. Comparison of PET template-based and MRI-based image processing in the quantitative analysis of C11-raclopride PET. EJNMMI Res. 4 (1), 7 (2014).
- Soret, M., Bacharach, S. L., Buvat, I. Partial-Volume Effect in PET Tumor Imaging. J. Nuc. Med. 48, 932-945 (2007).
- Sanchez, F., et al. ALBIRA: A Small Animal PET/SPECT/CT Imaging System. Med. Phys. 40 (5), 051906 (2013).
- Casteels, C., et al. Construction and Evaluation of Quantitative Small-Animal PET Probabilistic Atlases for [18F]FDG and [18F]FECT Functional Mapping of the Mouse Brain. PLOS One. 8 (6), e65286 (2013).
